CN101793910A

CN101793910A - 一种光学原理的加速度传感器

Info

Publication number: CN101793910A
Application number: CN 201010141725
Authority: CN
Inventors: 张巍巍; 高益庆; 何兴道
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2010-04-08
Filing date: 2010-04-08
Publication date: 2010-08-04

Abstract

一种光学原理的加速度传感器，它包括器件封装、支承结构、附加质量块、应力发光膜层、光电转换元件，其特征是器件封装内连有支承结构，支承结构的端部连有附加质量块，在支承结构的上表面涂覆应力发光膜层，应力发光膜层正上方有光电转换元件。本发明的优点是：具有自生特性，不需要供电，传感器始终维持待机状态；光学传感，受电磁干扰的影响小；敏感材料尤需极化或定向，耐冲击，抗过载能力强；使用温度范围宽，可以高温应用。

Description

一种光学原理的加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种加速度传感器，尤其涉及一种光学原理的加速度传感器。

背景技术

加速度传感器的工作原理主要有压电式、压阻式、可变电容式、热导式、机械式等几种。根据量程、精度、可靠性等方面的要求，工业应用主要采用压电式和压阻式。压电式加速度传感器依赖于压电材料，在受到冲击时容易退极化而失效；压阻式加速度传感器在稳定性、量程、使用温度等方面存在不足。本发明的加速度传感器适于工业和其它应用，且没有上述传感器的缺点。

应力发光发生于特殊的荧光材料。例如，专利CN1772836A“含有各向异性的应力发光体的应力发光组合物及其制备方法”描述了应力发光体的制备方法并提供了应力发光涂层。应力发光材料直接将机械能转化为光，无需外加激发光或电进行激发。

加速度信息以振动机械能的形式被转化为光之后，需要进行光电转换才能得到适于检测和分析的电信号。光电转换元件利用了光电效应，包括释放出真空自由电子的外光电效应，以及改变光电材料电学特性的内光电效应。以光伏效应为例，光照在半导体PN结区，在PN结的两端就产生光生电动势。电压信号是常用的电测信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学原理的加速度传感器，传感器有自生特性，抗电磁干扰，耐冲击和过载，使用温度高。

本发明是这样来实现的，它包括器件封装、支承结构、附加质量块、应力发光膜层、光电转换元件，其特征是器件封装内连有支承结构，支承结构的端部连有附加质量块，在支承结构的上表面涂覆应力发光膜层，应力发光膜层正上方有光电转换元件。

本发明所述的应力发光膜层为应力发光材料的镀层，优选材料是铝酸盐或者含有应力发光材料的涂层。

本发明所述的支承结构的材料为金属、单晶或陶瓷。

本发明所述的附加质量块的材料为重质合金或其它高密度材料。

本发明所述的光电转换元件为光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻或光电管。

本发明所述的器件封装内可以灌注添加阻尼液。

本发明的优点是：具有自生特性，不需要供电，传感器始终维持待机状态；光学传感，受电磁干扰的影响小；敏感材料无需极化或定向，耐冲击，抗过载能力强；使用温度范围宽，可以高温应用。

附图说明

图1为本发明的结构原理截面图。

在图中，1、应力发光膜层 2、光电转换元件 3、支承结构 4、附加质量块 5、引线 6、器件封装

具体实施方式

如图1所示，加速度传感器由应力发光膜层1、光电转换元件2、支承结构3、附加质量块4、引线5及器件封装6组成。器件封装6内还可以灌注添加阻尼液。常见应力发光材料为铝酸盐类。以铝酸盐应力发光材料和光学透明树脂的混合物涂覆支承结构3。支承结构3的材质是金属合金、硅、碳膜或其它结构材料，材料的选择除机械特性外，还需要考虑它和应力发光膜层1的热膨胀系数的匹配或隔离失配造成的热应力。附加质量块4可以采用和支承结构3同种材料或不同于支承结构3材质的重质合金。附加质量块4和支承结构3连接在一起，应力集中于应力发光膜层1的涂覆区域，可以提高器件的灵敏度。应力集中的结构可以是图1的悬臂梁结构，也可以是其它形式。

加速度传感器的质量块M-刚度系数K-阻尼系数C的二阶系统模型中，忽略应力发光膜层1的弹性系数的贡献，支承结构3提供了刚度系数K；在没有灌注阻尼液时基本可以忽略阻尼的影响；忽略支承结构3本身的质量，仅考虑质量块4的质量M，则该传感器的理想固有频率为

f_{n} = 2 π \sqrt{K / M}

通过黏贴、焊接、铆接等方式固定在器件封装6上的光电转换元件2的受光面正对应力发光膜层1，以充分接收信号光。光电转换元件2通常选择光敏二极管或光敏三极管等光伏元件，也可以选用光敏电阻、光电管、CMOS、甚至CCD作为光电元件。电信号由引线5穿通器件封装6引出。光电转换元件2可以置于封装6外部，此情况下用导光元件穿通器件封装6将信号荧光导出到光电转换元件2的受光面。

完整的测量和信号转换过程是：在测量范围内，加速度场中加速度为a，附加质量块4施加给支承结构3的力为F＝Ma，支承结构3的应变∝Ma，施加于应力发光膜层1的应力∝Ma，应力发光强度∝Ma，光敏二极管输出短路电流∝Ma或输出开路电压与应力发光强度呈对数式单调变化。输出的电信号可以经过调理、变换、数字化，构成加速度变送器。

本发明基于以上原理，但不限于上述实施方式。

Claims

1.一种光学原理的加速度传感器，它包括器件封装、支承结构、附加质量块、应力发光膜层、光电转换元件，其特征是器件封装内连有支承结构，支承结构的端部连有附加质量块，在支承结构的上表面涂覆应力发光膜层，应力发光膜层正上方有光电转换元件。

2.根据权利要求1所述的一种光学原理的加速度传感器，其特征是所述的应力发光膜层为应力发光材料的镀层，优选材料是铝酸盐或者含有应力发光材料的涂层。

3.根据权利要求1所述的一种光学原理的加速度传感器，其特征是所述的支承结构的材料为金属、单晶或陶瓷。

4.根据权利要求1所述的一种光学原理的加速度传感器，其特征是所述的附加质量块的材料为重质合金或其它高密度材料。

5.根据权利要求1所述的一种光学原理的加速度传感器，其特征是所述的光电转换元件为光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻或光电管。

6.根据权利要求1所述的一种光学原理的加速度传感器，其特征是所述的器件封装内可以灌注添加阻尼液。